Ｋ型熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)......



Ｋ型熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的溫度傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、使用方便、測溫范圍寬等特點(diǎn)。目前，在以Ｋ型熱電偶為測溫元件

的工業(yè)測溫系統(tǒng)中，熱電偶輸出的熱電勢信號必須經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，才能輸入基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)。中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)包括信號放大、冷端

補(bǔ)償、線性化及數(shù)字化等幾個部分，實(shí)際應(yīng)用中，由于中間環(huán)節(jié)較多，調(diào)試較為困難，系統(tǒng)的抗干擾性能往往也不理想。在鋁水平溫度測量儀

的研制中，我們采用了MAXIM公司新近推出的MAX6675，它是一個集成了熱電偶放大器、冷端補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換器及SPI串口的熱電偶放大器與數(shù)字

轉(zhuǎn)換器，可以直接與單片機(jī)接口，大大簡化系統(tǒng)的設(shè)計，保證了溫度測量的快速、準(zhǔn)確。
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　　 1 MAX6675特性
　　1.1 特性
　　MAX6675是具有冷端補(bǔ)償和A/D轉(zhuǎn)換功能的單片集成Ｋ型熱電偶變換器，測溫范圍0℃～1024℃，主要功能特點(diǎn)如下：
　　n 直接將熱電偶信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號
　　n 具有冷端補(bǔ)償功能
　　n 簡單的SPI串行接口與單片機(jī)通訊
　　n 12位A/D轉(zhuǎn)換器、0.25℃分辨率
　　n 單一+5V的電源電壓
　　n 熱電偶斷線檢測
　　n 工作溫度范圍-20℃～+85℃
　　1.2 引腳功能
　　MAX6675采用SO-8封裝形式，有8個引腳，腳1（GND）接地，腳2（T-）接熱電偶負(fù)極，腳3（T+）接熱電偶正極，腳4（VCC）電源端，腳5

（SCK）串行時鐘輸入端，腳6（CS）片選端，使能啟動串行數(shù)據(jù)通訊，腳7（SO）串行數(shù)據(jù)輸出端，腳8（NC）未用。在VCC和GND之間接0.1μF

電容。

　　MAX6675的引腳如圖1所示。

　　1.3 工作原理
　　MAX6675是一復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括：低噪聲電壓放大器A1、電壓跟隨器A2、冷端溫度補(bǔ)償二極

管、基準(zhǔn)電壓源、12位AD轉(zhuǎn)換器、SPI串行接口、模擬開關(guān)及數(shù)字控制器。
　　其工作原理如下：K型熱電偶產(chǎn)生的熱電勢，經(jīng)過低噪聲電壓放大器A1和電壓跟隨器A2放大、緩沖后，得到熱電勢信號U1，再經(jīng)過S4送至

ADC。。對于K型熱電偶，電壓變化率為(41μV/℃)，電壓可由如下公式來近似熱電偶的特性。
　　U1=(41μV/℃)×(T-T0)
　　上式中，U1為熱電偶輸出電壓（mV），T是測量點(diǎn)溫度；T0是周圍溫度。
　　在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值之前，對熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，冷端溫度即是MAX6675周圍溫度與0℃實(shí)際參考值之間的差值。

通過冷端溫度補(bǔ)償二極管，產(chǎn)生補(bǔ)償電壓U2經(jīng)S4輸入ADC轉(zhuǎn)換器。
　　U2=(41μV/℃)×T0
　　在數(shù)字控制器的控制下，ADC首先將U1、U2轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,即獲得輸出電壓U0的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就代表測量點(diǎn)的實(shí)際溫度值T。這就是MAX6675

進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償和測量溫度的原理。

　　1.4 與單片機(jī)的通訊
　　MAX6675采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行外設(shè)總線與單片機(jī)接口。MAX6675從SPI串行接口輸出數(shù)據(jù)的過程如下：單片機(jī)使CS置為低電平，并提供時鐘信

號給SCK，由SO讀取測量結(jié)果。CS變低將停止任何轉(zhuǎn)換過程，CS變高將啟動一個新的轉(zhuǎn)換過程。將CS變低在SO端輸出第一個數(shù)據(jù)，一個完整串

行接口讀操作需16個時鐘周期，在時鐘的下降沿讀16個輸出位，第1個輸出位是D15，是一偽標(biāo)志位，并總為0；D14位到D3位為以MSB到LSB順序

排列的轉(zhuǎn)換溫度值；D2位平時為低，當(dāng)熱電偶輸入開放時為高，開放熱電偶檢測電路完全由MAX6675實(shí)現(xiàn)，為開放熱電偶檢測器操作，T-必須

接地，并使接地點(diǎn)盡可能接近GND腳；D1位為低以提供MAX6675器件身份碼，D0位為三態(tài)標(biāo)志位。
　　MAX6675 SO端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式如圖3所示。

　　2 在鋁水平溫度測量儀中的應(yīng)用
　　本文所述鋁水平溫度測量儀是一工作于鋁電解現(xiàn)場的測量裝置，其控制部分采用單片機(jī)控制，對溫度部分的要求是：在得到測量要求信號

后，實(shí)時測量出當(dāng)前熱電偶探頭的溫度并保存，可檢測Ｋ型熱電偶探頭斷線狀況并報警。
　　2.1 硬件實(shí)現(xiàn)
　　該鋁水平溫度測量儀的Ｋ型熱電偶溫度采集電路如圖所示。其微控制器采用ATMEL公司的FLASH單片機(jī)AT89C51，該微控制器具有4K內(nèi)部可
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擦寫程序存儲器和32個輸入/輸出端口，滿足本系統(tǒng)中液位測量、數(shù)據(jù)顯示、溫度測量、數(shù)據(jù)通訊、看門狗電路的需要。作為一款廉價的通用

型單片機(jī)，AT89C51沒有SPI接口。因此采用I/O口線模擬SPI串行口來對MAX6675讀取數(shù)據(jù)。MAX6675的CS端接單片機(jī)的P1.0腳，CS低電平停止轉(zhuǎn)

換，MAX6675準(zhǔn)備將數(shù)據(jù)輸出；SCK引腳接單片機(jī)的P1.1腳，為傳輸數(shù)據(jù)提供時鐘。無數(shù)據(jù)傳輸時，SCK應(yīng)置為低電平；SO引腳接單片機(jī)的P1.2

腳，用于傳輸數(shù)據(jù)。單片機(jī)的P1.3腳作為Ｋ型熱電偶探頭斷線報警口，報警時輸出低電平，驅(qū)動故障指示LED顯示。
　　在單片機(jī)的上述4個引腳各接一個10K的上拉電阻，保證數(shù)據(jù)的可靠傳送。由于MAX6675的測量精度對電源耦合噪聲較敏感，為降低電源噪

聲影響，在MAX6675的電源引腳附近接入1只0.1μF陶瓷旁路電容。在印刷電路板的設(shè)計中，采用大面積接地技術(shù)來降低芯片自熱引起的測量誤

差，提高溫度測量精度。

　　本系統(tǒng)主要測量鋁電解槽中的溫度，其正常工作溫度范圍為920℃—1000℃，為了準(zhǔn)確的測量這一區(qū)段的溫度值，系統(tǒng)利用X25045芯片內(nèi)